为什么引力波会以光速传播?

时空中的波纹就是引力波,它们以光速在空间中向各个方向传播。虽然爱因斯坦的广义相对论方程式中从未出现过电磁学常数,但引力波无疑是以光速运动的。

描述整个宇宙需要两类基本理论。一方面,有量子场论,它描述了电磁力和核力,并解释了宇宙中所有的粒子以及控制它们的量子相互作用。另一方面,广义相对论,它解释了物质/能量和空间/时间之间的关系,并描述了我们所经历的引力。在广义相对论的背景下,出现了一种新的辐射类型:引力波。然而,尽管这些引力波与光无关,但它们必须以光速传播。这是为什么呢?

我们知道电磁辐射的速度可以由真空中的麦克斯韦方程推导出来。什么方程(可能与麦克斯韦方程类似?)提供了重力波必须以光速传播的数学证明?这是个很深奥的问题。让我们深入了解细节。

可以写出各种各样的方程,比如麦克斯韦方程,来描述宇宙的某个方面。我们可以用多种方式把它们写下来,因为它们有微分形式(左)和积分形式(右)。只有将他们的预测与物理观察进行比较,我们才能得出关于其有效性的任何结论。

乍一看,麦克斯韦方程组并不一定能预测光速辐射的存在。这些方程清楚地告诉我们有关的行为:静止的电荷,运动中的电荷(电流),静电(不变的)电场和磁场,以及这些电场和电荷如何相互移动、加速和变化。

现在,仅仅利用电磁学定律,我们就可以建立一个物理上相关的系统:一个低质量的带负电荷的粒子绕着一个带正电荷的高质量粒子旋转。这是卢瑟福原子的最初模型,伴随着一场巨大的生存危机。当负电荷穿过空间时,它会经历一个不断变化的电场,并因此而加速。但是当带电粒子加速时,它必须将能量辐射出去,而唯一的方法就是通过电磁辐射。

在原子的卢瑟福模型中,电子绕带正电荷的原子核运动,但会发出电磁辐射,并看到轨道衰变。这需要量子力学的发展,以及玻尔模型的改进,才能理解这个明显的悖论。

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